不同因素對填筑路堤邊坡穩(wěn)定性影響分析

王 鵬

(中鐵十四局集團有限公司，山東 濟南 250000)

1 工程實例

1.1 工程簡介

松山湖站位于東莞市松山湖景區(qū)新城路與沁園路交叉口，為地下二層雙島式站臺，呈南北向布置，與規(guī)劃3#線同臺換乘，并設(shè)置聯(lián)絡(luò)線，總長度為404.1 m，標準段寬度為49.9 m，采用明挖法施工。

新城路西側(cè)機動車道及人行道在施工場地內(nèi)，需要臨時占用，根據(jù)占一還一的原則，需在新城路西側(cè)修建由北向南的交通疏解道，道路等級為城市主干路，設(shè)計車速60 km/h，由左向右為0.5 m坡肩+3 m人行道+14 m機動車道，采用水泥混凝土路面。

1.2 工程地質(zhì)

松山湖站屬于剝蝕殘丘地貌，地表層局部可見第四紀沉積層，地形地貌比較開闊平緩，坡度一般在10°以下，水系不發(fā)育。擬建工程區(qū)域內(nèi)人工填土廣泛分布，主要為回填的黏性土、砂土、碎石等。

1.3 路基邊坡

交疏疏解道填筑高度最高約為5 m，采取分層回填、分層碾壓，現(xiàn)場試驗測得壓實度均在96 %以上，符合設(shè)計和規(guī)范要求，邊坡設(shè)計坡率為1∶1.5，邊坡填筑完成后沿路線走向每隔10 m測量一下邊坡坡率，現(xiàn)場實測邊坡坡率為1∶1.5～1∶2.02。

2 數(shù)值模擬分析

2.1 強度折減法基本原理

FLAC3D是率先將連續(xù)體快速拉格朗日分析法應(yīng)用于巖土工程問題上，在解決相關(guān)問題上具有許多優(yōu)越性，可對巖石、邊坡等建立模型并進行數(shù)值分析。

強度折減法是將強度折減技術(shù)與數(shù)值模擬方法相結(jié)合，通過調(diào)整折減系數(shù)對邊坡的穩(wěn)定性進行分析。基本原理是將坡體原始粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ同時除以折減系數(shù)K，得到一組新的粘聚力c′和內(nèi)摩擦角φ′，作為新的參數(shù)反復進行數(shù)值模擬，直至邊坡達到臨界破壞狀態(tài)，原始強度指標與臨界破壞狀態(tài)的強度指標之比即為該邊坡的安全系數(shù)Fs。

2.2 數(shù)值模型

路基填筑高度為5 m、坡率為1∶1.5時數(shù)值模型如圖2，綠色部分為路基，藍色部分為地基，路基頂面寬度為17.5 m、底面寬度為25 m，地基高度為10 m，地基寬度為35 m，沿縱向長度為2 m。固定約束地基底面、四周，路基頂面不約束，模型共劃分7 600個網(wǎng)格單元，10 005個節(jié)點。

圖2 不同坡率模擬云圖

2.3 物理力學參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)勘探鉆孔取樣試驗得出地基物理力學參數(shù)，填筑土體及地基物理力學參數(shù)如表1。

表1 物理力學參數(shù)

2.4 數(shù)值模擬結(jié)果分析

建立模型后進行數(shù)值模擬，結(jié)果如圖1所示。邊坡安全系數(shù)為1.47，《鐵路路基設(shè)計規(guī)范》規(guī)定路基邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)不得小于1.25，因此該邊坡安全系數(shù)滿足規(guī)范要求。

圖1 數(shù)值模擬云圖

路基邊坡坡角向上0.5～1 m范圍內(nèi)位移最大為14.699 cm，沿滑坡體向上位移逐漸減小，坡頂位移為8.4 cm，路基中部位移變化不大，從路基中部至坡面位移逐漸增大，塑性區(qū)滑坡體未貫通，邊坡穩(wěn)定性和安全性較好。

3 影響因素分析

3.1 邊坡坡率對安全系數(shù)影響

分別建立邊坡坡率為1∶0.5、1∶0.7、1∶1.0、1∶1.3、1∶1.5、1∶1.7、1∶2.0、1∶3.0的邊坡模型并分別進行數(shù)值模擬，模型的物理力學參數(shù)均保持一致。部分坡率數(shù)值模擬結(jié)果如圖2所示。分析模擬數(shù)據(jù)得出邊坡安全系數(shù)與坡率的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 安全系數(shù)與坡率關(guān)系

由圖2、圖3分析可知，隨著坡率的增大，邊坡安全系數(shù)逐漸增大，安全系數(shù)隨坡率的增加近似呈線性關(guān)系增長，坡率為1∶0.5、1∶0.7、1∶1.0的安全系數(shù)分別為0.95、1.07、1.22，均小于1.25，不滿足規(guī)范要求，邊坡穩(wěn)定性較差，容易發(fā)生滑坡等事故。坡率越大安全系數(shù)越高，邊坡穩(wěn)定性、安全性越好。

通過origin擬合得出安全系數(shù)與坡率的關(guān)系式

Fs=0.517 4L+0.697

(1)

式中:Fs為安全系數(shù)；L為邊坡坡率；回歸系數(shù)R2=99.98%。

3.2 邊坡坡角對安全系數(shù)影響

由坡率數(shù)值模擬得出安全系數(shù)與邊坡坡角的關(guān)系，邊坡坡角分別為18.4°、26.6°、30.5°、33.7°、37.6°、45°、55°、63.5°的安全系數(shù)分別為2.25、1.73、1.58、1.47、1.37、1.22、1.07、0.95，安全系數(shù)與坡角的關(guān)系曲線如圖4所示。

圖4 安全系數(shù)與坡角關(guān)系

由圖4分析可知，邊坡安全系數(shù)隨著坡角的增大而逐漸減小，坡角大于45°時，邊坡安全系數(shù)小于1.25，不滿足規(guī)范要求，邊坡穩(wěn)定性較差。通過origin擬合出邊坡安全系數(shù)與坡角的冪函數(shù)關(guān)系式

Fs=16.897θ-0.693

(2)

式中:Fs為安全系數(shù)；θ為坡角，°；回歸系數(shù)R2=99.96%。

3.3 填筑高度對安全系數(shù)影響

填筑高度對邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生一定的影響，填筑高度越高，在填筑體自重及外荷載作用下，可能出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象。為研究填筑高度對邊坡穩(wěn)定性的影響，基于上文建模的基礎(chǔ)上分別建立填筑高度為2 m、3 m、4 m、5 m、6 m、7 m的邊坡模型并進行數(shù)值模擬，物理力學參數(shù)均保持一致，分析數(shù)據(jù)擬合得出邊坡安全系數(shù)與填筑高度的關(guān)系曲線如圖5所示。

圖5 安全系數(shù)與填筑高度關(guān)系

通過origin軟件擬合出邊坡安全系數(shù)與路基填筑高度的關(guān)系可用冪函數(shù)表達

Fs=6.816 8H-0.94

(3)

式中：Fs為安全系數(shù)；H為路基填筑高度，m；回歸系數(shù)R2=99.17%。

3.4 粘聚力和內(nèi)摩擦角對安全系數(shù)影響

采用單因素法分別改變粘聚力和內(nèi)摩擦角的參數(shù)研究分析粘聚力和內(nèi)摩擦角對安全系數(shù)的影響，粘聚力分別為12 KPa、16 KPa、20 KPa、24 KPa、28 KPa、32 KPa，內(nèi)摩擦角分別為10°、14°、18°、22°、26°、30°，每次模擬只改變一個參數(shù)，其余參數(shù)保持不變，共進行36次數(shù)值模擬，通過origin擬合得出安全系數(shù)與粘聚力、內(nèi)摩擦角關(guān)系如圖6所示。

圖6 安全系數(shù)與粘聚力和內(nèi)摩擦角關(guān)系

由圖6分析可知，內(nèi)摩擦角較小時，邊坡安全系數(shù)隨粘聚力的增大呈上拋物線增大，增加速率逐漸減小，內(nèi)摩擦角越大，安全系數(shù)的增長速率越小。安全系數(shù)隨內(nèi)摩擦角的增大近似線性關(guān)系增長，隨著粘聚力的增大，安全系數(shù)隨內(nèi)摩擦角增長的速率逐漸減小。

4 結(jié) 論

(1)疏解道路基填筑體邊坡穩(wěn)定性、安全性較好，安全系數(shù)Fs=1.47大于1.25，滿足規(guī)范要求；

(2)安全系數(shù)隨坡率的增大近似呈線性關(guān)系增長，坡率為1∶0.5、1∶0.7、1∶1.0的安全系數(shù)分別為0.95、1.07、1.22，均小于1.25，不滿足規(guī)范要求；

(3)安全系數(shù)隨坡角的增大近似呈冪函數(shù)關(guān)系減小，坡角大于45°時，安全系數(shù)小于1.25，不滿足規(guī)范要求；

(4)安全系數(shù)隨填筑高度的增加近似呈冪函數(shù)降低；

(5)內(nèi)摩擦角較小時，安全系數(shù)隨粘聚力的增大近似呈對數(shù)關(guān)系增長，且增加速率逐漸減小，內(nèi)摩擦角越大，安全系數(shù)的增長速率越小，安全系數(shù)隨內(nèi)摩擦角的增大近似呈線性關(guān)系增長。